2012年高中语文-暑假科技文阅读之探索宇宙-黑洞主宰宇宙素材.doc

黑洞主宰宇宙

黑洞主宰着星系

编译 全志钢

新近的宇宙观测揭示：黑洞可不只是端坐在星系中央的摆设，相反，它们在塑造着星系，甚至规范着星系的发展！可以说，它们是宇宙中当仁不让的主宰。

    太阳质量的100万至10亿倍，这便是位居宇宙各星系中心的黑洞的质量。30多年前，人们只是猜想每个星系的中心位置都有一个“超级巨大”的黑洞，而今这已经是一个得到确认的事实。尽管我们看不到这些黑洞，因为它们并不直接发出光线，但最近几年来，人们已经得到了越来越多关于它们存在的间接证据。在大型望远镜和新型人造卫星的帮助下，通过对它们周遭一切——如射电、红外线和射线——的观测，天文学家越来越清晰地辨认出这些宇宙怪兽的轮廓。如今他们已经确信，这些具有极高密度和极大质量的天体并不满足于充当所在星系中央的一个摆设。不，远非如此。首先，它们塑造着身旁的环境，比如使恒星围绕自己旋转，有时还会喷射出巨大的物质流。除此之外，它们还直接调节着自己所在星系的发展，比如喷发出大量的新生恒星，或者正相反，去阻止某些恒星的形成。黑洞是星系中的主宰吗？这个问题看来值得研究。那就让我们从自己所在的这个星系开始探讨吧。
    在银河系的中央，确切地说，在离地球2.5万光年的地方，一个黑洞正把气体和恒星卷入一场疯狂的华尔兹之中。1992年，德国天文学家莱恩哈尔·岑泽尔（Reinhard Genzel）领导的研究小组使用设在智利拉西拉的具有红外线观测功能的新技术望远镜（NTT），透过银河系中央的尘埃，发现有一些恒星沿着环绕银河系中央的轨道运动。

相当于上千个星系

    这是一个意外的发现。通过对这些恒星轨道长达10年的持续观测，莱恩哈尔·岑泽尔及其研究小组测定有一颗恒星距离银河系中央不超过10光时（1光时 = 1 079 252 848 800 米）……而其运行速度则高达疯狂的1万公里/秒，这是地球围绕太阳运行速度的300倍！我们已经知道，恒星靠近时的轨道速度越高，吸引它的中心质量便越大。这样一来，根据计算我们可知，牵引这颗恒星在椭圆轨道上狂奔的物体，其质量是太阳的400万倍！而且，如此巨大的质量是压缩在一个直径为10光分（1.8亿公里）的体积之内的。这个直径比金星轨道的直径略小。如此巨大的质量聚集在如此之小的体积之中，毫无疑问，这只可能是一个黑洞……银河系中央的黑洞之所以能够牵引着那些恒星在轨道上以不可思议的高速度运行，是因为它的密度极大。设想一下：如果一个黑洞具有太阳的质量，但直径只有2公里，那会是一种什么样情形！物质会在刹那间向它靠近，因为这时引力（与距离的平方成反比）会变得非常巨大，物质便以光速坠落！在20世纪60年代，人们在测定大概几十亿光年之外的类星射电源的巨大辐射时，大多数天文学家都感到不可置信：“不，类星射电源不可能如此遥远。否则就意味着一个这样的天体辐射的能量可以等同于上千个星系辐射的能量，这实在令人难以想象……”但在当时，黑洞的概念尚未被提出。后来，天文学家们搞清楚了，类星射电源实际上是一些巨大的黑洞，物质（气体、恒星及尘埃）以接近光速的速度向着它们坠落。而正是这些物质在遇到“吸积盘”上的高温时，辐射出难以估量的高能量，而科学家们可以借助紫外线、X射线和伽马射线探测器测得这些能量。
    要更好地理解这一极致的光辉，只需将这一现象的质能转换率与恒星的做个比较。当1000克的氢以螺旋曲线坠入黑洞，就会有100克转化为辐射的能量。也就是说，吸积盘的质能转换率高达10%，而一般恒星的能量源泉——热核聚变——的质能转换率只有0.7%……总之，这是一种巨大的能量，它也是物质在坠入并消失在黑洞中之前留给我们的最后信号。
    尽管按照定义，黑洞是只吸不吐的，然而实际情况是，天文学家们观察到一部分原本应该被吞噬的物质转化成粒子流之后被喷射了出来，并使其周遭的星系环境变热。在类星射电源3C273中就可以观察到这一现象。这大概是因为黑洞的磁场及其旋转使得这些物质“调转”了方向，但这一现象的确切机制尚不得而知。

太空婴儿潮

    无论如何，这些物质流是如此地奇幻，它们有时甚至会离开自己的星系而将“触角”伸到星系之间的空间！最近便有一例。科学家们监测到了一条长达150万光年的物质流发出的电磁波，它出自距离我们6亿光年的椭圆星系CGCG049－033。假如这样的一条物质流是从我们所在的星系出发的，那么它几乎就能触及到与我们相邻的、离银河系只有200万光年的仙女星系……根据这一物质流的体积，天文学家们推断它是从一个具有10亿个太阳质量的黑洞中喷射出来的！
    “活动星系核”制造的这些物质喷流是如此地强大，它们甚至可能是我们在地球上接收到的来历不明的高能宇宙线的源头。而且，奥格宇宙线天文台（Pierre Auger Cosmic Ray Observatory）得到的第一批结果已经给了我们初步的证实。这一国际机构在阿根廷潘帕斯草原3000平方公里的范围内安置了1600台探测器，对这些我们仍一无所知的高能粒子进行追踪。
    2007年11月9日，《科学》(Science)杂志上公布的结果指出，科学家们监测到有27个粒子来自于太空中与某些活动星系核位置重合的方向。“我们监测到的超能粒子数量还不够多，尚不足以确定它们是不是由这些星系产生的，但现在我们可以说答案已经近在眼前了。”巴黎第七大学宇宙粒子和宇宙学实验室的艾蒂安·帕里佐（Etienne Parizot）如此说道。
   它们将物质流喷向邻近的星系，它们使粒子加速穿过整个宇宙直达地球……超大质量的黑洞的惊人之举还不止这些。天文学家们又发现了它们的一种新能力，即通过加速或阻止一些恒星的形成来调节星系的成长。天文学家们是在能够将黑洞的质量与其宿主星系的质量进行对比的时候开始设想黑洞具有这一功能的。以与我们相邻的40多个星系为样本，天文学家们发现黑洞的质量通常只有星系中央部分的“星系泡泡”质量的几千分之一。“星系泡泡”是一个恒星十分密集的区域。这一结论被推广应用在更加遥远的40多个具有活动星系核的星系上时，我们就会发现，宇宙中可能存在一种机制，它能够阻止黑洞无休止地膨胀乃至吞没整个星系。
    这是一种什么样的机制？“黑洞的成长方式只有两种，或是通过吞噬物质，或是与另一个黑洞合并。”巴黎宇宙物理研究所的让-皮埃尔·拉索塔（Jean-Pierre Lasota）解释说。但这两种现象是有关联的，这一点，德国慕尼黑马普学会的沃尔克·斯普林格（Volker Springel）已经在2005年通过模拟予以证实。天体物理学家们模拟了两个漩涡星系相撞的情形，并将两者各自中心的黑洞情况纳入考虑范围。模拟的结果是，在发生碰撞时，气体和恒星巨大运动造成的“起潮力”会将两个星系中的气体向它们的中心压缩，从而使它们进入一个恒星形成的高发期。我们完全可以称之为“太空婴儿潮”。同时，黑洞还会继续吸引气体，形成一些不断增大增热的吸积盘。直到最后，两个星系的中心热到了极点，最终爆发，成为类星射电源。此时它会制造出风和气流，将中心附近的气体推开——黑洞便膨胀到了极限。这样一来，它们就断绝了自己的“粮食”。“类星射电源”阶段就此告终，恒星形成的阶段也一并终止。星系进入“老年潮”时代。
    这一模拟首次明确了星系形成和黑洞成长之间的关联，即后者调节着宿主星系中恒星的形成阶段。在碰撞之后，便只剩下了一个椭圆星系（不再是漩涡状而是橄榄球状），其中气体稀少，恒星的形成也几近停止。之后，两个黑洞将合而为一，但这个过程需要一定的时间，而且我们也会看到有一些星系里存在着几个尚未合并、彼此独立的黑洞。伴随着星系的融合和互动，类星射电源和星系的历史联系了起来，构成了这个共同演进的过程。这样看来，大部分的星系在它们的生命之初都曾经是类星射电源。至于如今占据星系总量5%的活动核星系，则是一些仍然闪耀的类星射电源，它们的黑洞仍在继续吞噬物质。
    不过，想要令人信服地重现星系和黑洞在宇宙137亿年的历史中演变的情景，仍然是一项艰巨的任务，尤其是在天体物理学家对“黑洞的种子”还知之甚少的情况下。所谓“黑洞的种子”，是指黑洞由此长大、并形成最初的类星射电源的那些原初黑洞。

带来希望的望远镜

    最近发现的最遥远的类星射电源，其历史可以上溯到宇宙的幼年，即宇宙形成后不到10亿年的时候。但这个黑洞的质量当时就已经是太阳5亿倍了。这样一个质量，应该不会是黑洞种子的质量……“最大的谜团还是那些超大质量黑洞的种子，”美国密歇根大学的马尔塔·沃伦特里（Marta Volonteri）证实道，“它们有多大的质量？来自哪里？LISA（Laser Interferometer Space Antenna）引力波天文台应该能在15年内给出一个最终的答案。通过对这些种子的聚集进行探测，人们将能够测量它们的质量并了解它们形成的时代。但天文学家们对XEUS（X射线演变宇宙光谱学）望远镜也同样抱有很大的期待，该望远镜能够探测X射线，将在2020年发射。它将对黑洞种子进行追踪，并明确类星射电源和星系之间的承继关系。”
    虽然超大质量黑洞的起源仍是一个谜，但它们还是让我们看清楚了银河系的命运：它将在几十亿年后和仙女星系发生碰撞及融合。我们这个星系的黑洞现在还不活跃，到时将会重新闪亮。作为曾经的类星射电源，银河到时候将重新变成一个闪耀着千团火焰的类星射电源，成为宇宙中的灯塔……直到这个贪吃的家伙再次耗尽它的恒星粮食。

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